JP5575648B2 - Cluster injection processing method - Google Patents

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Description

本発明は、反応性ガスから形成した反応性クラスタを用いて試料表面を加工する、クラスタ噴射式加工方法、及び、反応性クラスタを用いた加工方法により製造される、半導体素子、微小電気機械素子、及び、光学部品に関する。   The present invention relates to a cluster injection processing method for processing a sample surface using a reactive cluster formed from a reactive gas, and a semiconductor device and a microelectromechanical device manufactured by a processing method using a reactive cluster. And an optical component.

試料表面にガスクラスタを照射して加工を行う方法としては、例えば、ガスクラスタをイオン化し、電界や磁界により加速して試料表面に衝突させることで試料表面の原子や分子を除去する、ガスクラスタイオンビームを用いた方法がある(例えば、特許文献1参照)。   As a method of processing by irradiating the sample surface with the gas cluster, for example, the gas cluster is ionized, accelerated by an electric field or magnetic field, and collided with the sample surface to remove atoms and molecules on the sample surface. There is a method using an ion beam (see, for example, Patent Document 1).

上述の試料の加工方法では、ガス供給部から、常温常圧の気体状の物質と希ガスとを混合した加圧ガスを噴出することで、気体状物質の塊状原子集団または分子集団からなるガスクラスタを生成する。そして、このガスクラスタに電子線を照射することでイオン化し、ガスクラスタイオンビームを形成する。   In the sample processing method described above, a gas consisting of a massive atomic group or molecular group of a gaseous substance is ejected from a gas supply unit by injecting a pressurized gas obtained by mixing a gaseous substance at normal temperature and pressure and a rare gas. Create a cluster. The gas cluster is ionized by irradiation with an electron beam to form a gas cluster ion beam.

このガスクラスタイオンビームを固体表面に照射すると、クラスタイオンを構成する分子または原子種相互、及び、固体表面の原子との間で多段階の衝突が発生する。このため、横方向の運動成分を持った反射原子又は分子を生じ、この反射原子又は分子により、基板表面の平坦化や清浄化が可能となる。
このように、ガスクラスタイオンビームによって、試料の表面を処理することができる。
When this gas cluster ion beam is irradiated onto the solid surface, multistage collisions occur between molecules or atomic species constituting the cluster ions and atoms on the solid surface. For this reason, a reflected atom or molecule having a lateral motion component is generated, and the substrate surface can be planarized or cleaned by the reflected atom or molecule.
In this way, the surface of the sample can be processed by the gas cluster ion beam.

また、クラスタイオンを用いる加工装置に、クラスタイオンに加速電圧を加える加速電界部、及び、減速電圧を加える減速電界部を備えることにより、クラスタイオンビームに与える加速電圧を段階的又は連続的に減少させることが提案されている(例えば、特許文献2参照)。   Moreover, the acceleration voltage applied to the cluster ion beam is reduced stepwise or continuously by providing the processing apparatus using cluster ions with an accelerating electric field unit for applying an accelerating voltage to the cluster ions and a decelerating electric field unit for applying a decelerating voltage. Has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

特開平8−319105号公報JP-A-8-319105 特開2005−310977号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-310977

しかしながら、従来のガス・クラスタ・イオン・ビームを用いた方法や、ガス・クラスタ・イオン・ビームを用いる装置では、クラスタをイオン化させて直流電圧によりイオンを加速する工程を行っている。そのため、弱いイオン化分子、又は、ニュートライザーを用いて、クラスタイオンを電気的に中性に変化させてから試料に衝突させている。   However, in a conventional method using a gas cluster ion beam or an apparatus using a gas cluster ion beam, a step of ionizing the cluster and accelerating ions with a DC voltage is performed. For this reason, the cluster ion is electrically changed to neutral using a weak ionized molecule or a neutralizer, and then collides with the sample.

しかし、上述の方法では、クラスタを完全に電気的中性の粒子にすることができず、試料への電気的ダメージを完全に無くすことができない。   However, in the above-described method, the cluster cannot be made into completely neutral particles, and electrical damage to the sample cannot be completely eliminated.

また、例えば、半導体素子や、微小電子機械素子(Micro Electro Mechanical Systems:MEMS)、光学部品等を作製する際に、アスペクト比1以上の深掘加工や、基板への貫通孔の形成、金属層のエッチングを行う。このような加工は、一般的にはプラズマ異方性エッチングにより行われている。
しかし、プラズマ異方性エッチングにより上述の加工を行うと、例えば、既に基板に形成されているMOSトランジスタやMOSキャパシタ等からなるコントローラ・トランジスタの閾値電圧等の特性が変化してしまう。また、例えば、半導体素子に形成されている多層配線構造において、プラズマ熱により誘電率の低い材料(Low−k)からなる層間絶縁膜の誘電率が変化してしまう。
また、プラズマ処理以外にも、例えば、エッチング液への浸漬法によるエッチングも行われる。しかし、プラズマ処理や浸漬法のよるエッチングでは、サイドエッチングやアンダーカット等の発生量が大きく、微細化や高密度化されたパターンには適さない。
Also, for example, when manufacturing semiconductor elements, micro electro mechanical systems (MEMS), optical components, etc., deep processing with an aspect ratio of 1 or more, formation of through holes in a substrate, metal layer Etching is performed. Such processing is generally performed by plasma anisotropic etching.
However, if the above-described processing is performed by plasma anisotropic etching, for example, characteristics such as a threshold voltage of a controller / transistor composed of a MOS transistor, a MOS capacitor, or the like already formed on the substrate change. In addition, for example, in a multilayer wiring structure formed in a semiconductor element, the dielectric constant of an interlayer insulating film made of a material having a low dielectric constant (Low-k) changes due to plasma heat.
In addition to the plasma treatment, for example, etching by an immersion method in an etching solution is also performed. However, etching by plasma treatment or dipping method generates a large amount of side etching or undercut, and is not suitable for miniaturized or densified patterns.

上述した問題の解決のため、本発明においては、電気的に中性な反応性クラスタを用いた試料の加工方法を提供するものである。また、本発明においては、上述の加工方法の適用による異方性エッチングによって加工されている半導体素子、微小電子機械素子、及び、光学部材を提供するものである。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a sample processing method using electrically neutral reactive clusters. In addition, the present invention provides a semiconductor element, a microelectromechanical element, and an optical member that are processed by anisotropic etching by applying the above-described processing method.

本発明のクラスタ噴射式加工方法は、反応性ガスより低沸点のガスとからなる混合ガスを、液化しない範囲の圧力で、所定の方向に断熱膨張させながら噴出させ、電気的に中性な反応性クラスタを生成し、前記反応性クラスタを真空処理室内の試料に噴射して試料表面に化学的な反応による加工を行うことを特徴とする。 Cluster jet processing method of the present invention, the gas mixture from the reaction gas consisting of low-boiling gases, a pressure in the range which does not liquefy, jetted while adiabatically expanded in a predetermined direction, an electrically neutral reactive A reactive cluster is generated, the reactive cluster is sprayed onto a sample in a vacuum processing chamber, and the surface of the sample is processed by a chemical reaction .

本発明によれば、試料の加工の際に、反応性ガスと反応性ガスより低沸点なガスを用いて反応性クラスタを形成することにより、反応性クラスタが試料に衝突し、試料と反応することにより、試料表面を加工することができる。このため、電界や磁界を加えてガスクラスタをイオン化する必要がなく、且つ、イオン化していない電気的中性粒子のため、クラスタを電気的に中性にする必要がない。よって、試料への電気的なダメージを与えない。さらに、シースが発生しないため、側壁方向への反応性クラスタの引き込みが発生せず、異方性エッチングの深さ方向への直進性が向上する。
従って、本発明によれば、試料への電気的なダメージを無くした状態で、深さ方向への
直進性が高い加工が可能となる。
また、本発明によれば、反応性クラスタの真空処理室内への噴射により半導体基板を加工する。このため、プラズマ異方性エッチングを行うこと無く、高精度の異方性エッチングを行うことができる。このため、プラズマ処理によるトランジスタの閾値電圧の変化や、層間絶縁膜の誘電率の変化等を発生させずに、基板等にアスペクト比1以上の深掘加工を行うことができる。また、高精度の異方性エッチングにより、サイドエッチングやアンダーカットの発生量が非常に小さく、高密度化や微細化されたパターンを形成することができる。このため、反応性クラスタを用いた精度の高い異方性エッチングにより、設計値からのずれが少ない半導体素子、微小電子機械素子、及び、光学部材を提供することができる。
According to the present invention, when a sample is processed, a reactive cluster is formed using a reactive gas and a gas having a lower boiling point than the reactive gas, so that the reactive cluster collides with the sample and reacts with the sample. Thus, the sample surface can be processed. Therefore, it is not necessary to ionize the gas cluster by applying an electric field or a magnetic field, and it is not necessary to make the cluster electrically neutral because of the electrically neutral particles that are not ionized. Therefore, no electrical damage is given to the sample. Furthermore, since no sheath is generated, no reactive clusters are drawn in the side wall direction, and the straightness in the depth direction of anisotropic etching is improved.
Therefore, according to the present invention, it is possible to perform processing with high straightness in the depth direction while eliminating electrical damage to the sample.
Further, according to the present invention, the semiconductor substrate is processed by jetting the reactive clusters into the vacuum processing chamber. Therefore, highly accurate anisotropic etching can be performed without performing plasma anisotropic etching. Therefore, deep processing with an aspect ratio of 1 or more can be performed on a substrate or the like without causing a change in the threshold voltage of the transistor due to plasma treatment, a change in the dielectric constant of the interlayer insulating film, or the like. In addition, by highly accurate anisotropic etching, the amount of side etching and undercut generation is very small, and a highly dense and fine pattern can be formed. For this reason, it is possible to provide a semiconductor element, a microelectromechanical element, and an optical member with little deviation from the design value by highly accurate anisotropic etching using reactive clusters.

本発明の加工方法にかかる試料の加工装置の一実施の形態の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of one Embodiment of the processing apparatus of the sample concerning the processing method of this invention. 本発明の加工方法において、一次圧力及び試料への噴射時間と、試料のエッチング速度の関係を示す図である。In the processing method of this invention, it is a figure which shows the relationship between the primary pressure and the injection time to a sample, and the etching rate of a sample. 本発明の加工方法において、噴出部と試料表面との距離と、加工による試料のエッチング速度との関係を示す図である。In the processing method of this invention, it is a figure which shows the relationship between the distance of an ejection part and a sample surface, and the etching rate of the sample by processing. 本発明の加工方法において、噴出部と試料表面との距離を26mmとして加工した場合の加工後の試料表面の状態を表す写真である。In the processing method of this invention, it is a photograph showing the state of the sample surface after a process at the time of processing as the distance of an ejection part and a sample surface being 26 mm. 本発明の加工方法において、噴出部と試料表面との距離を35mmとして加工した場合の加工後の試料表面の状態を表す写真である。In the processing method of this invention, it is a photograph showing the state of the sample surface after a process at the time of processing as the distance of an ejection part and a sample surface being 35 mm. 本発明の加工方法において、反応性クラスタの入射角度を試料表面に対して斜め方向として、試料表面の加工を行った場合の加工後の試料表面付近の断面の写真である。In the processing method of this invention, it is a photograph of the cross section near the sample surface after a process at the time of processing a sample surface by making the incident angle of a reactive cluster into the diagonal direction with respect to the sample surface. 本発明の加工方法において、貫通孔が形成されたケイ素単結晶の状態の写真である。In the processing method of this invention, it is a photograph of the state of the silicon single crystal in which the through-hole was formed. ClFガスを単独で用いて試料表面の加工を行った場合の加工後の試料表面の状態を表す写真である。The ClF 3 gas used alone is a photograph showing a condition of the surface of the sample after processing in the case of performing processing of the sample surface. Arガスを単独で用いて試料表面の加工を行った場合の加工後の試料表面の状態を表す写真である。It is a photograph showing the state of the sample surface after processing when processing the sample surface using Ar gas alone. 一次圧力を−0.09MPaGとして試料表面の加工を行った場合の加工後の試料表面の状態を表す写真である。It is a photograph showing the state of the sample surface after a process at the time of processing a sample surface by making primary pressure into -0.09MPaG. Clガスを用いて加工した場合の加工後の試料表面の状態を表す写真である。Is a photograph showing a condition of the surface of the sample after processing in the case of processing using Cl 2 gas. ガスを用いて加工した場合の加工後の試料表面の状態を表す写真である。Is a photograph showing a condition of the surface of the sample after processing in the case of processing using the F 2 gas. 本発明の加工方法において、酸化ケイ素膜を形成した試料の加工を行った場合の加工後の試料表面の状態を示す写真である。It is a photograph which shows the state of the sample surface after a process at the time of processing the sample in which the silicon oxide film was formed in the processing method of this invention. 本発明の加工方法において、自然酸化膜を除去した試料の表面を加工した場合の加工後の試料表面の状態を表す写真In the processing method of the present invention, a photograph showing the state of the sample surface after processing when the surface of the sample from which the natural oxide film has been removed is processed 本発明の加工方法において、自然酸化膜を除去せずに試料の表面を加工した場合の加工後の試料表面の状態を表す写真である。It is a photograph showing the state of the sample surface after a process at the time of processing the surface of a sample, without removing a natural oxide film in the processing method of this invention. 本発明の加工方法において、一次圧力及び試料への噴射時間と、試料のエッチング速度の関係を示す図である。In the processing method of this invention, it is a figure which shows the relationship between the primary pressure and the injection time to a sample, and the etching rate of a sample. 本発明の半導体素子の実施の形態の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of embodiment of the semiconductor element of this invention. A〜Cは、本発明の半導体素子の実施の形態の製造工程図である。A to C are manufacturing process diagrams of the embodiment of the semiconductor device of the present invention. 本発明の圧力センサの実施の形態の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of embodiment of the pressure sensor of this invention. 本発明の圧力センサの実施の形態の製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of embodiment of the pressure sensor of this invention. Aは、本発明の光学素子の実施の形態の製造工程図である。Bは、本発明の光学素子の実施の形態の概略構成図である。FIG. 3A is a manufacturing process diagram of an embodiment of an optical element of the present invention. B is a schematic block diagram of an embodiment of an optical element of the present invention. Aは、本発明の光学素子の実施の形態の製造工程図である。Bは、本発明の光学素子の実施の形態の概略構成図である。FIG. 3A is a manufacturing process diagram of an embodiment of an optical element of the present invention. B is a schematic block diagram of an embodiment of an optical element of the present invention.

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を用いて説明する。
まず、本発明の加工方法に適用する試料の加工装置の一実施の形態を図1に示す。
図1Aに示す加工装置は、真空処理室13内に、ガス供給部11と、試料台14が備えられて構成されている。
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, an embodiment of a sample processing apparatus applied to the processing method of the present invention is shown in FIG.
The processing apparatus shown in FIG. 1A includes a gas supply unit 11 and a sample stage 14 in a vacuum processing chamber 13.

ガス供給部11には、断熱膨張するための充分に小さい面積の開孔を有する噴出部12が設けられている。また、噴出部12は、真空処理室13内に備えられる。
また、図示しないガスの供給手段により、ガス供給部11に、反応性ガスであるハロゲン間化合物又はハロゲン化水素と、反応性ガスより低沸点なガスとの混合ガスが供給される構成である。そして、ガス供給部11内に充填された混合ガスの分子18が、噴出部12から噴射されて反応性クラスタ19が形成される構成である。
The gas supply unit 11 is provided with an ejection unit 12 having an opening having a sufficiently small area for adiabatic expansion. Further, the ejection part 12 is provided in the vacuum processing chamber 13.
In addition, a gas supply unit (not shown) supplies the gas supply unit 11 with a mixed gas of an interhalogen compound or hydrogen halide, which is a reactive gas, and a gas having a lower boiling point than the reactive gas. And the molecule | numerator 18 of the mixed gas with which the gas supply part 11 was filled is ejected from the ejection part 12, and the reactive cluster 19 is formed.

噴出部12は、ガス供給部11の端部おいて、例えば、図1Bに示すように円形状に形成された開口部や、図1Bに示すように矩形状に形成された開口部からなる。なお、噴出部12は、ガス供給部11と真空処理室13との間で、反応性クラスタを形成できる差圧が得られる充分に面積が小さい開口部であれば、どのような形状でもよい。   The ejection part 12 includes, for example, an opening formed in a circular shape as shown in FIG. 1B and an opening formed in a rectangular shape as shown in FIG. 1B at the end of the gas supply unit 11. In addition, the ejection part 12 may have any shape as long as it is an opening having a sufficiently small area from which a differential pressure capable of forming a reactive cluster can be obtained between the gas supply part 11 and the vacuum processing chamber 13.

また、真空処理室13内には、ガス供給部11と、試料17を設置するための試料台14がガス噴射方向の直線上に並ぶように設置されている。また、真空処理室13内を図示しない可動部を駆動することにより、試料台14及び噴射部12が移動可能に設置されている。
このため、試料台14と噴射部12とを移動、又は、傾斜角度を変えることにより、噴出部12との距離を変更したり、噴出部12から噴射される反応性クラスタを衝突させる位置を変更したり、反応性クラスタの入射角度を変更したりすることができる。
In the vacuum processing chamber 13, the gas supply unit 11 and the sample stage 14 for installing the sample 17 are installed so as to be aligned on a straight line in the gas injection direction. Moreover, the sample stage 14 and the injection part 12 are movably installed by driving a movable part (not shown) in the vacuum processing chamber 13.
For this reason, by moving the sample stage 14 and the injection unit 12 or changing the inclination angle, the distance to the ejection unit 12 is changed, or the position at which the reactive cluster ejected from the ejection unit 12 collides is changed. Or the incident angle of the reactive cluster can be changed.

真空処理室13には、ターボ分子ポンプ15及びドライポンプ16が接続され、これらの2つのポンプを組み合わせることにより、真空処理室13内を減圧することができる。   A turbo molecular pump 15 and a dry pump 16 are connected to the vacuum processing chamber 13. By combining these two pumps, the inside of the vacuum processing chamber 13 can be decompressed.

次に、本発明の試料の加工方法の一実施の形態として、図1に示した加工装置を用いた試料の加工方法について説明する。   Next, a sample processing method using the processing apparatus shown in FIG. 1 will be described as an embodiment of the sample processing method of the present invention.

まず、ガス供給部11に、反応性ガスとして、例えば、ハロゲン間化合物又はハロゲン化水素と、反応性ガスより低沸点なガスとの混合ガスを、図示しない供給手段を用いて供給する。このときのガス供給部11内の圧力(一次圧力)は、沸点の高い反応性ガスが液化しない範囲の圧力、例えば、ClF6vol%とAr94vol%との混合ガスの場合には、0.3MPaG以上1.0MPaG以下とする。
なお、一次圧力は、大気圧基準の圧力単位であるPaGを使用し、二次圧力は、絶対圧力基準の圧力単位であるPaを使用する。
First, as the reactive gas, for example, a mixed gas of an interhalogen compound or hydrogen halide and a gas having a lower boiling point than the reactive gas is supplied to the gas supply unit 11 using a supply unit (not shown). The pressure (primary pressure) in the gas supply unit 11 at this time is a pressure within a range where the reactive gas having a high boiling point is not liquefied, for example, 0.3 MPaG in the case of a mixed gas of 6 vol% ClF 3 and 94 vol% Ar. More than 1.0 MPaG.
The primary pressure uses PaG, which is a pressure unit based on atmospheric pressure, and the secondary pressure uses Pa, which is a pressure unit based on absolute pressure.

そして、真空処理室13内を、ターボ分子ポンプ15及びドライポンプ16により真空引きし、真空処理室13内の圧力(二次圧力)を、100〜0.1Pa以下、特に好ましくは10Pa以下に制御する。ガス供給部11内の混合ガスの一次圧力と、真空処理室13内の二次圧力との差により、ガス供給部11内の混合ガスが、噴出部12から真空処理室13内に噴射される。
このとき、噴出部12からのガス噴射は、一次圧力と二次圧力との差圧により行われる。このため、一次圧力と二次圧力との差を大きくすることが望ましい。但し、混合ガスが液化した状態では、安定したガス供給ができないため、一次圧力を混合ガスが液化しない範囲の圧力以下で行う必要がある。
また、一次圧力と二次圧力の差圧が大きい方が噴出部12から噴射される際の運動エネルギーが大きくなる。このため、反応性クラスタが試料に衝突する際のエネルギーが大きくなり、試料を加工する反応エネルギーが大きくなる。
Then, the inside of the vacuum processing chamber 13 is evacuated by the turbo molecular pump 15 and the dry pump 16, and the pressure (secondary pressure) in the vacuum processing chamber 13 is controlled to 100 to 0.1 Pa or less, particularly preferably 10 Pa or less. To do. Due to the difference between the primary pressure of the mixed gas in the gas supply unit 11 and the secondary pressure in the vacuum processing chamber 13, the mixed gas in the gas supply unit 11 is injected from the ejection unit 12 into the vacuum processing chamber 13. .
At this time, the gas injection from the ejection part 12 is performed by the differential pressure between the primary pressure and the secondary pressure. For this reason, it is desirable to increase the difference between the primary pressure and the secondary pressure. However, since the gas cannot be stably supplied in a state where the mixed gas is liquefied, it is necessary to perform the primary pressure below a pressure that does not liquefy the mixed gas.
Further, the kinetic energy when the pressure difference between the primary pressure and the secondary pressure is larger is ejected from the ejection portion 12. For this reason, the energy at the time of a reactive cluster colliding with a sample becomes large, and the reaction energy which processes a sample becomes large.

このとき、噴射された混合ガスは、高圧状態から急激に低圧状態になり、電気的に中性な反応性クラスタが発生する。反応性クラスタは、通常数十〜数千個の反応性ガス、例えばハロゲン間化合物又はハロゲン化水素と、反応性ガスより低沸点なガスとを構成する原子又は分子集団から形成される。   At this time, the injected mixed gas suddenly changes from a high pressure state to a low pressure state, and an electrically neutral reactive cluster is generated. The reactive cluster is usually formed from a group of atoms or molecules constituting tens to thousands of reactive gases, such as interhalogen compounds or hydrogen halides, and a gas having a lower boiling point than the reactive gas.

反応性ガスとしては、加工対象となる試料との間での反応性が高いことが必要である。このため、試料として、ケイ素単結晶を用いる場合には、ケイ素との反応性が高いハロゲン間化合物を用いることが好ましい。ハロゲン間化合物としては、例えば、ClF,ClF,ClF,BrF,BrCl,IF,IFを用いることができる。特に、ケイ素との反応性が高いClFを用いることが好ましい。
また、試料として、金属材料、又は、ケイ素以外の半導体材料、例えば、GaAs,InP,GaN等を用いる場合には、金属材料との反応性が高いハロゲン化水素を用いることが好ましい。
ハロゲン化水素としては、HCl,HBr,HI等を用いることができる。特に、金属材料との反応性が高いHIを用いることが好ましい。
The reactive gas needs to have high reactivity with the sample to be processed. For this reason, when using a silicon single crystal as a sample, it is preferable to use an interhalogen compound having high reactivity with silicon. As interhalogen compounds, for example, ClF, ClF 3 , ClF 5 , BrF 3 , BrCl, IF 5 , IF 7 can be used. In particular, it is preferable to use ClF 3 having high reactivity with silicon.
In addition, when a metal material or a semiconductor material other than silicon, for example, GaAs, InP, GaN, or the like is used as a sample, it is preferable to use hydrogen halide having high reactivity with the metal material.
As the hydrogen halide, HCl, HBr, HI or the like can be used. In particular, it is preferable to use HI having high reactivity with a metal material.

このとき、上述の反応性ガスは沸点が高いため、反応性ガスのみをガス供給部11内に供給した場合には、反応性クラスタを生成するために必要な圧力を得ることができない。このため、上述の反応性ガス、例えばハロゲン間化合物及びハロゲン化水素に対して低沸点なガスを混合することにより、上述の反応性ガスの分圧を低下させることができる。このため、反応性ガスの液化を防止しながら、反応性クラスタを生成するのに充分な一次圧力を得ることができる。
反応性ガスより低沸点なガスとしては、He,Ar,Ne,Kr,Xe等の希ガス、N
,CO,O等を用いることができる。
また、反応性ガスより低沸点なガスは、ガス供給部11内で、反応性ガスと反応しないことが望ましい。ガス供給部11内で、反応性ガスと、反応性ガスより低沸点なガスが反応することにより、安定して反応性クラスタを生成することができず、試料の加工が困難になる場合がある。
At this time, since the reactive gas described above has a high boiling point, when only the reactive gas is supplied into the gas supply unit 11, the pressure necessary for generating the reactive cluster cannot be obtained. For this reason, the partial pressure of the above-mentioned reactive gas can be reduced by mixing the above-mentioned reactive gas, for example, a gas having a low boiling point with respect to the interhalogen compound and hydrogen halide. For this reason, primary pressure sufficient to produce a reactive cluster can be obtained while preventing liquefaction of the reactive gas.
Examples of gases having lower boiling points than reactive gases include rare gases such as He, Ar, Ne, Kr, and Xe, N
2, CO 2, O 2 or the like can be used.
Further, it is desirable that a gas having a lower boiling point than the reactive gas does not react with the reactive gas in the gas supply unit 11. In the gas supply unit 11, a reactive gas and a gas having a lower boiling point than the reactive gas react, so that a reactive cluster cannot be stably generated, and it may be difficult to process the sample. .

発生した反応性クラスタは、ガス供給部11から噴射された際の運動エネルギーにより、噴出部12から、試料台14に設置された試料17に向かって噴射される。そして、試料17の表面に衝突することにより、運動エネルギーが反応エネルギーへと変換され、試料と反応する。
特に、試料との反応性が高いガス、例えばハロゲン間化合物又はハロゲン化水素を用いることにより、反応性クラスタの衝突部分において、反応性ガスと試料との反応が起こり、試料表面の原子又は分子を効率よくエッチング、除去することができる。このため、試料表面を互いの反応性が高い組み合わせの反応性ガスと試料とを用いることにより、効率的に試料を加工することができる。
The generated reactive clusters are jetted from the jetting part 12 toward the sample 17 installed on the sample stage 14 by kinetic energy when jetted from the gas supply part 11. And by colliding with the surface of the sample 17, kinetic energy is converted into reaction energy and reacts with the sample.
In particular, by using a gas having high reactivity with the sample, for example, an interhalogen compound or hydrogen halide, the reaction between the reactive gas and the sample occurs in the collision portion of the reactive cluster, and atoms or molecules on the sample surface are removed. It can be etched and removed efficiently. For this reason, a sample can be processed efficiently by using the reactive gas and sample of a combination with high mutual reactivity on the sample surface.

上述のように、反応性ガスと反応性ガスより低沸点なガスの反応性クラスタを試料に噴射して試料を加工することにより、クラスタに加速電圧を加えることなく、試料を加工することができる。この反応性クラスタはイオンになっていないため、反応性クラスタを中性化する必要がなく、クラスタが完全に中性化されていない場合に発生する試料への電気的なダメージをなくすことができる。   As described above, a sample can be processed without applying an accelerating voltage to the cluster by injecting a reactive gas and a reactive cluster of a gas having a lower boiling point than the reactive gas onto the sample. . Since this reactive cluster is not an ion, there is no need to neutralize the reactive cluster, and electrical damage to the sample that occurs when the cluster is not completely neutralized can be eliminated. .

なお、上述の装置では、混合ガスを噴出するための噴出部が1つ備えられた加工装置について説明したが、本発明の加工方法において、加工装置に備える噴出部の数は複数であってもよい。
複数の噴出部から同一方向にクラスタを噴出して試料の加工を行うことにより、単一の噴射部を用いた加工よりも広範囲の加工行うことができるとともに、試料の加工速度が向上する。
また、噴出方向が異なる噴出部を複数設けることにより、試料に対して、垂直方向からのクラスタの噴射と、斜め方向からのクラスタの噴射を同時に行うことが可能となる。また、複数の噴出部において混合ガス圧力や流量を同一に若しくは個別に制御することにより、試料の表面状態や加工速度を制御することが可能となる。
さらに、前記の加工方法を複数組み合わせることができ、従来と比較して複雑な形状がより早く、また一度の加工で行うことが可能となる。
In the above-described apparatus, the processing apparatus provided with one ejection part for ejecting the mixed gas has been described. However, in the processing method of the present invention, the processing apparatus may include a plurality of ejection parts. Good.
By processing the sample by ejecting clusters in the same direction from a plurality of ejection portions, it is possible to perform a wider range of processing than the processing using a single ejection portion, and the processing speed of the sample is improved.
Further, by providing a plurality of ejection portions having different ejection directions, it is possible to simultaneously perform cluster ejection from the vertical direction and cluster ejection from the oblique direction on the sample. In addition, by controlling the mixed gas pressure and flow rate at the plurality of jetting portions the same or individually, it is possible to control the surface condition and processing speed of the sample.
Furthermore, it is possible to combine a plurality of the above-described processing methods, and it becomes possible to perform a complicated shape faster and with a single processing as compared with the conventional method.

次に、上述のクラスタ噴射式加工方法を用いて製造することができる、本発明の半導体素子の実施の形態について説明する。図17に、本実施の形態の半導体素子の概略構成図を示す。
図17に示す半導体素子40は、基体51と、基体51上に実装された半導体チップ41とから構成されている。
Next, an embodiment of the semiconductor element of the present invention that can be manufactured by using the above-described cluster injection processing method will be described. FIG. 17 shows a schematic configuration diagram of the semiconductor element of the present embodiment.
A semiconductor element 40 shown in FIG. 17 includes a base 51 and a semiconductor chip 41 mounted on the base 51.

半導体チップ41は、半導体基板42の一方の主面上に形成されている配線層43と層間絶縁層44とからなる多層配線層50と、他方の主面上に形成されている接続用の電極パッド49と、半導体基板42を貫通して形成されている貫通電極45とを備える。
また、基体51には、基体51の一方の主面上に形成されている配線層52と層間絶縁層53とからなる多層配線層55、及び、接続用の電極パッド54を備える。
そして、基体51上に形成されている電極パッド54と、半導体基板42上に形成されている電極パッド49とが接続することにより、半導体チップ41が基体51上に実装されている。
The semiconductor chip 41 includes a multilayer wiring layer 50 formed of a wiring layer 43 and an interlayer insulating layer 44 formed on one main surface of a semiconductor substrate 42, and a connection electrode formed on the other main surface. A pad 49 and a through electrode 45 formed through the semiconductor substrate 42 are provided.
The base 51 is provided with a multilayer wiring layer 55 formed on one main surface of the base 51 and composed of a wiring layer 52 and an interlayer insulating layer 53, and an electrode pad 54 for connection.
The semiconductor chip 41 is mounted on the base 51 by connecting the electrode pads 54 formed on the base 51 and the electrode pads 49 formed on the semiconductor substrate 42.

半導体チップ41に形成されている貫通電極45は、上述の反応性クラスタを用いたエッチングにより形成された孔部56内に形成されている埋め込み導電層46からなる。
また、半導体基板42設けられた貫通孔は、上述の反応性クラスタを用いた試料の加工方法により形成されている。
The through electrode 45 formed in the semiconductor chip 41 is composed of a buried conductive layer 46 formed in the hole 56 formed by etching using the above-described reactive cluster.
Further, the through hole provided in the semiconductor substrate 42 is formed by the sample processing method using the reactive cluster described above.

また、貫通電極45は、半導体基板42に設けられた孔部56において、孔部56の側壁に絶縁層48が形成されている。そして、この側壁に添って絶縁層48上に、バリアメタル層47が形成されている。   In the through electrode 45, an insulating layer 48 is formed on the side wall of the hole 56 in the hole 56 provided in the semiconductor substrate 42. A barrier metal layer 47 is formed on the insulating layer 48 along the side wall.

また、半導体チップ41に形成されている配線層43、及び、基体51に形成されている配線層52は、例えば、サブトラクティブ法で形成する場合には、絶縁層上の全面に配線層となる導電体層を形成した後、フォトレジストなどによる配線パターンを形成し、導電体層をエッチングすることにより、所望のパターンを有する配線層が形成される。
この導電体層のエッチングに、上述の反応性クラスタによる試料の加工方法を用いることができる。上述の反応性クラスタによるエッチングは、異方性の高いエッチングが可能であるため、従来のサブトラクティブ法において発生するサイドエッチングやアンダーカット等による配線の細線化などの影響が無く、配線のデザインルールの微細化が可能である。従って、上述の反応性クラスタによる試料の加工方法を用いることにより、サブトラクティブ法を用いた場合にも高密度配線が可能である。
In addition, when the wiring layer 43 formed on the semiconductor chip 41 and the wiring layer 52 formed on the base 51 are formed by, for example, a subtractive method, they become wiring layers on the entire surface of the insulating layer. After the conductor layer is formed, a wiring pattern made of a photoresist or the like is formed, and the conductor layer is etched to form a wiring layer having a desired pattern.
For the etching of the conductor layer, the above-described sample processing method using reactive clusters can be used. Etching with the above-mentioned reactive cluster enables highly anisotropic etching, so there is no influence of thinning of the wiring due to side etching or undercut that occurs in the conventional subtractive method, and wiring design rules Can be miniaturized. Therefore, by using the above-described sample processing method using reactive clusters, high-density wiring is possible even when the subtractive method is used.

なお、半導体基板42には、上記以外の方法により形成された貫通孔が構成されていてもよいが、少なくとも1つ以上の貫通孔が上述の反応性クラスタを用いたエッチングにより形成されている。また、上記の配線層は、上述の反応性クラスタを用いたエッチングにより形成されことが望ましいが、この方法以外の方法によりエッチングが行われていてもよい。
従って、上述の半導体素子において、半導体基板に設けられた孔部、又は、配線パターンのうち、いずれか1つ以上が、上述の反応性クラスタによる加工を用いて形成されていればよく、上述の反応性クラスタによる加工に併せて、他の加工方法を併用して形成された上記各構成を備えていてもよい。
The semiconductor substrate 42 may have through holes formed by a method other than the above, but at least one or more through holes are formed by etching using the above-described reactive clusters. The wiring layer is preferably formed by etching using the reactive cluster, but may be etched by a method other than this method.
Therefore, in the above-described semiconductor element, any one or more of the hole provided in the semiconductor substrate or the wiring pattern may be formed by using the above-described reactive cluster processing. In addition to the processing by the reactive cluster, each of the above-described configurations formed by using other processing methods may be provided.

次に、本発明の半導体素子の製造方法の実施の形態について説明する。
まず、図18Aに示すように、半導体基板42の一方の主面側に、配線層43と層間絶縁層44とを積層して、多層配線層50を形成する。そして、多層配線層50を形成した半導体基板42に対して、上記多層配線50側から、孔部56を形成する。孔部56は、多層配線層50を貫通し、半導体基板42の厚さ方向の途中まで形成する。また、形成した孔部には、例えば熱酸化法や、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等を用いて絶縁層48を形成する。
Next, an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described.
First, as shown in FIG. 18A, a wiring layer 43 and an interlayer insulating layer 44 are stacked on one main surface side of a semiconductor substrate 42 to form a multilayer wiring layer 50. Then, a hole 56 is formed on the semiconductor substrate 42 on which the multilayer wiring layer 50 is formed from the multilayer wiring 50 side. The hole 56 penetrates the multilayer wiring layer 50 and is formed partway in the thickness direction of the semiconductor substrate 42. The insulating layer 48 is formed in the formed hole using, for example, a thermal oxidation method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

上述の孔部56の形成には、上述の反応性クラスタを用いた加工方法を適用する。
まず、例えば、フォトリソグラフィにより、半導体基板42に孔部56を形成する部分のみを開口するフォトレジストによるパターンマスクを形成し、孔部56のエッチングを行う。このエッチングには、上述の反応性クラスタによる試料の加工方法を用いる。例えば、図1に示す加工装置において、試料台に半導体基板42を載置し、噴出部から反応性ガスと、反応性ガスよりも低沸点なガスとの混合ガスを噴出する。これにより、反応性クラスタを生成して、半導体基板42をエッチングする。半導体基板42としてシリコン基板を用いる場合には、シリコン基板との反応性が高いClFガスと、アルゴンガスとの混合ガスを用いることが好ましい。
The formation method of the above-mentioned hole part 56 applies the processing method using the above-mentioned reactive cluster.
First, for example, a pattern mask made of a photoresist that opens only a portion where the hole 56 is to be formed in the semiconductor substrate 42 is formed by photolithography, and the hole 56 is etched. For this etching, the above-described sample processing method using reactive clusters is used. For example, in the processing apparatus shown in FIG. 1, the semiconductor substrate 42 is placed on a sample stage, and a mixed gas of a reactive gas and a gas having a lower boiling point than the reactive gas is ejected from the ejection portion. Thereby, a reactive cluster is generated and the semiconductor substrate 42 is etched. When a silicon substrate is used as the semiconductor substrate 42, it is preferable to use a mixed gas of ClF 3 gas having high reactivity with the silicon substrate and argon gas.

また、半導体基板42上への配線層43の形成は、例えば、サブトラクティブ法で形成する場合には、絶縁層上の全面に配線層となる導電体層を形成し、フォトレジストなどによる配線パターンのマスクを形成する。そして、このマスクを用いて導電体層をエッチングすることにより、所望のパターンを有する配線層43を形成する。   For example, when forming the wiring layer 43 on the semiconductor substrate 42 by a subtractive method, a conductor layer to be a wiring layer is formed on the entire surface of the insulating layer, and a wiring pattern using a photoresist or the like is formed. The mask is formed. Then, the wiring layer 43 having a desired pattern is formed by etching the conductor layer using this mask.

上述の反応性クラスタによるエッチングは、異方性の高いエッチングが可能である。このため、この反応性クラスタを用いたエッチングによって、アスペクト比1以上の深掘加工を精密に行うことができ、半導体基板42に精密な孔部56を形成することができる。また、反応性クラスタによる加工方法を用いて、配線層43のパターニングを行うことにより、導電体層のサイドエッチングやアンダーカット等による配線の細線化などが発生せず、配線のデザインルールの微細化や、高密度配線が可能となる。   Etching with the above-described reactive clusters can be performed with high anisotropy. Therefore, deep etching with an aspect ratio of 1 or more can be performed precisely by etching using this reactive cluster, and a precise hole 56 can be formed in the semiconductor substrate 42. Further, by patterning the wiring layer 43 using a processing method using reactive clusters, the wiring layer 43 is not thinned by side etching or undercutting of the conductor layer, and the wiring design rules are made finer. In addition, high-density wiring is possible.

次に、図18Bに示すように、孔部56内にバリアメタル層47と、埋め込み導電層46とを形成する。
まず、孔部56を含む半導体基板42の全面に、スパッタ法やCVD法を用いて、TiN,WN,Ti,TaN,Ta等からなるバリアメタル層47を形成する。そして、バリアメタル層47上に、Cu,Al,Ti,Sn等からなる導電体層を形成する。そして、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法等を用いて、孔部46内を除く半導体基板42上に形成されている導電体層とバリアメタル層47を除去することにより、孔部56内に、バリアメタル層47と埋め込み導電層46とを形成する。
Next, as shown in FIG. 18B, a barrier metal layer 47 and a buried conductive layer 46 are formed in the hole 56.
First, the barrier metal layer 47 made of TiN, WN, Ti, TaN, Ta or the like is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 42 including the hole 56 by using a sputtering method or a CVD method. Then, a conductor layer made of Cu, Al, Ti, Sn or the like is formed on the barrier metal layer 47. Then, by using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like, the conductor layer and the barrier metal layer 47 formed on the semiconductor substrate 42 excluding the inside of the hole 46 are removed, whereby the barrier 56 is formed in the hole 56. A metal layer 47 and a buried conductive layer 46 are formed.

また、CMP法のかわりに、上述の反応性クラスタを用いた加工方法により、基板の平坦化を行ってもよい。例えば、図1に示す加工装置において、試料台に半導体基板42を載置し、噴出部から反応性ガスと、反応性ガスよりも低沸点なガスとの混合ガスを噴出する。このとき、試料台を移動することにより、試料全面に反応性クラスタを噴射することができ、試料表面の平坦化を行うことができる。これにより、反応性クラスタを生成して、半導体基板42上に形成した導電体層とバリアメタル層47をエッチングする。反応性ガスには、導電体層又はバリアメタル層47に用いられる金属との反応性が高いHCl,HBr,HI等のガスを用いることが好ましい。   Further, the substrate may be planarized by a processing method using the above-described reactive cluster instead of the CMP method. For example, in the processing apparatus shown in FIG. 1, the semiconductor substrate 42 is placed on a sample stage, and a mixed gas of a reactive gas and a gas having a lower boiling point than the reactive gas is ejected from the ejection portion. At this time, by moving the sample stage, reactive clusters can be sprayed over the entire surface of the sample, and the surface of the sample can be flattened. Thereby, a reactive cluster is generated, and the conductor layer and the barrier metal layer 47 formed on the semiconductor substrate 42 are etched. As the reactive gas, it is preferable to use a gas such as HCl, HBr, or HI that has high reactivity with the metal used for the conductor layer or the barrier metal layer 47.

次に、図18Cに示すように、埋め込み導電層46を半導体基体42の両方の主面から露出することにより、貫通電極45を形成し、この貫通電極45に接続する配線層43及び電極パッド49を形成する。
まず、半導体基板42の多層配線層50を形成していない面を、CMP法又は上述の反応性クラスタを用いたエッチングによりエッチングする。このエッチングにより、半導体基体42から埋め込み導電層46を露出する。このように、半導体基体42の両主面から埋め込み導電層46を露出することにより、貫通電極45とする。
そして、上述の多層配線層50の配線層43と同様の方法により、貫通電極45と接続する配線層43を、多層配線層50上に形成する。また、他方の面に貫通電極45を接続する電極パッド49を形成する。
Next, as shown in FIG. 18C, the embedded conductive layer 46 is exposed from both main surfaces of the semiconductor substrate 42 to form a through electrode 45, and a wiring layer 43 and an electrode pad 49 connected to the through electrode 45. Form.
First, the surface of the semiconductor substrate 42 where the multilayer wiring layer 50 is not formed is etched by CMP or etching using the above-described reactive cluster. By this etching, the buried conductive layer 46 is exposed from the semiconductor substrate 42. In this manner, the embedded conductive layer 46 is exposed from both main surfaces of the semiconductor substrate 42 to form the through electrode 45.
Then, the wiring layer 43 connected to the through electrode 45 is formed on the multilayer wiring layer 50 by the same method as the wiring layer 43 of the multilayer wiring layer 50 described above. An electrode pad 49 for connecting the through electrode 45 is formed on the other surface.

上述の工程により、半導体チップ41を形成することができる。そして、この半導体チップ41の電極パッド49を、基体51の電極パッド54に接続することにより、図17に示す半導体素子40を製造することができる。
なお、基体51は、上述の半導体チップ41の製造方法において、孔部56及び貫通電極45を形成する工程を除く同様の方法で製造することができ、また、そのほか公知の方法を用いて製造することができる。
The semiconductor chip 41 can be formed by the above process. Then, by connecting the electrode pad 49 of the semiconductor chip 41 to the electrode pad 54 of the base 51, the semiconductor element 40 shown in FIG. 17 can be manufactured.
The base 51 can be manufactured by the same method as the above-described method for manufacturing the semiconductor chip 41 except for the step of forming the hole 56 and the through electrode 45, and can be manufactured by using other known methods. be able to.

次に、上述のクラスタ噴射式加工方法を用いて製造することができる、本発明の微小電子機械素子(Micro Electro Mechanical Systems:MEMS)の実施の形態について説明する。
図19に、MEMSの実施の形態として圧力センサの概略構成図を示す。
図19に示す圧力センサ20は、コントローラ一体型のMEMSセンサが半導体基板21上に形成された構成である。
Next, an embodiment of a micro electro mechanical system (MEMS) of the present invention that can be manufactured using the above-described cluster jet processing method will be described.
In FIG. 19, the schematic block diagram of a pressure sensor is shown as embodiment of MEMS.
A pressure sensor 20 shown in FIG. 19 has a configuration in which a controller-integrated MEMS sensor is formed on a semiconductor substrate 21.

半導体基板21上の一方の主面上には、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタやMOSキャパシタからなるMEMSセンサ・コントローラ22が形成されている。さらに、MEMSセンサ・コントローラ22に接続する誘電率の低い材料(low−k)からなるlow−k配線23が形成されている。半導体基板21及びlow−k配線23上に、絶縁性のパッシベーション膜24が形成されている。   On one main surface of the semiconductor substrate 21, a MEMS sensor controller 22 composed of a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor or a MOS capacitor is formed. Further, a low-k wiring 23 made of a low dielectric constant material (low-k) connected to the MEMS sensor controller 22 is formed. An insulating passivation film 24 is formed on the semiconductor substrate 21 and the low-k wiring 23.

半導体基板21のMEMSセンサ・コントローラ22が形成されている面には、真空カバーガラス28が貼付けられている。真空カバーガラス28は、半導体基板21への貼付け面側に、容量コンデンサ兼コントローラ配線29が設けられている。この容量コンデンサ兼コントローラ配線29は、low−k配線23を介して、MEMSセンサ・コントローラ22に接続されている。真空カバーガラス28は、接着剤層31により半導体基板21のパッシベーション膜24上に接着されている。   A vacuum cover glass 28 is attached to the surface of the semiconductor substrate 21 where the MEMS sensor / controller 22 is formed. The vacuum cover glass 28 is provided with a capacitor / controller wiring 29 on the side to be bonded to the semiconductor substrate 21. The capacitor / controller wiring 29 is connected to the MEMS sensor / controller 22 via a low-k wiring 23. The vacuum cover glass 28 is bonded onto the passivation film 24 of the semiconductor substrate 21 with an adhesive layer 31.

また、半導体基板21の他方の主面上には、スピン・オン・グラス(Spin On Glass :SOG)絶縁層25が形成されている。そして、SOG絶縁層25上に、Ni等からなる電極層26が形成されている。   In addition, a spin-on-glass (SOG) insulating layer 25 is formed on the other main surface of the semiconductor substrate 21. An electrode layer 26 made of Ni or the like is formed on the SOG insulating layer 25.

上述の半導体基板21には、両主面を貫通するアスペクト比1以上の孔部からなる圧力リファレンス真空27が形成されている。半導体基体21の圧力リファレンス真空27は、上述の反応性クラスタを用いた試料の加工方法により形成されている。そして、圧力リファレンス真空27を半導体基板21に形成することにより、圧力リファレンス真空27と接触する部分のSOG絶縁層25及び電極層26によるメンブラン構造30が圧力センサ20に形成されている。また、真空カバーガラス28の容量コンデンサ兼コントローラ配線29は、半導体基板21を介してメンブラン構造30と対向する位置に形成されている。   The above-described semiconductor substrate 21 is formed with a pressure reference vacuum 27 composed of holes having an aspect ratio of 1 or more that penetrate both main surfaces. The pressure reference vacuum 27 of the semiconductor substrate 21 is formed by the sample processing method using the above-described reactive cluster. Then, by forming the pressure reference vacuum 27 on the semiconductor substrate 21, the membrane structure 30 is formed in the pressure sensor 20 by the SOG insulating layer 25 and the electrode layer 26 at a portion in contact with the pressure reference vacuum 27. The capacitor / controller wiring 29 of the vacuum cover glass 28 is formed at a position facing the membrane structure 30 with the semiconductor substrate 21 interposed therebetween.

次に、上述の圧力センサ20の製造方法について説明する。
まず、半導体基体21の一方の主面側に、MEMSセンサ・コントローラ22を形成する。このMEMSセンサ・コントローラ22は、公知のMOSトランジスタ及びMOSキャパシタと同じ方法により作製することができる。さらに、MEMSセンサ・コントローラ22上にlow−k材料により、MEMSセンサ・コントローラ22用のlow−k配線23を形成する。そして、半導体基板21、MEMSセンサ・コントローラ22及びlow−k配線23を覆うパッシベーション膜24を形成する。
また、半導体基板21の他方の主面側に、スピンコート法等を用いてSOG絶縁層25を形成する。そして、SOG絶縁層25上に電極層26を、例えばNiめっき等により形成する。
Next, a method for manufacturing the pressure sensor 20 will be described.
First, the MEMS sensor controller 22 is formed on one main surface side of the semiconductor substrate 21. The MEMS sensor controller 22 can be manufactured by the same method as a known MOS transistor and MOS capacitor. Further, a low-k wiring 23 for the MEMS sensor controller 22 is formed on the MEMS sensor controller 22 with a low-k material. Then, a passivation film 24 that covers the semiconductor substrate 21, the MEMS sensor / controller 22, and the low-k wiring 23 is formed.
Further, the SOG insulating layer 25 is formed on the other main surface side of the semiconductor substrate 21 by using a spin coat method or the like. Then, the electrode layer 26 is formed on the SOG insulating layer 25 by, for example, Ni plating.

次に、図20に示すように、フォトリソグラフィにより、半導体基板21に圧力リファレンス真空27を形成する部分のみを開口するフォトレジスト32によるパターンマスクを形成する。
そして、フォトレジスト32をマスクとして、半導体基板21のエッチングを行う。このエッチングには、上述の反応性クラスタによる試料の加工方法を用いる。例えば、図1に示す加工装置において、試料台に半導体基板21を載置し、噴出部から反応性ガスと、反応性ガスよりも低沸点なガスとの混合ガスを噴出する。これにより、反応性クラスタを生成して、半導体基板21をエッチングする。半導体基板21としてシリコン基板を用いる場合には、シリコン基板との反応性が高いClFガスと、アルゴンガスとの混合ガスを用いることが好ましい。
この反応性クラスタを用いたエッチングにより、半導体基板21の圧力リファレンス真空27を形成する部分にのみ、アスペクト比1以上の深掘加工を行うことができる。
Next, as shown in FIG. 20, a pattern mask made of a photoresist 32 that opens only a portion where the pressure reference vacuum 27 is formed in the semiconductor substrate 21 is formed by photolithography.
Then, the semiconductor substrate 21 is etched using the photoresist 32 as a mask. For this etching, the above-described sample processing method using reactive clusters is used. For example, in the processing apparatus shown in FIG. 1, the semiconductor substrate 21 is placed on a sample stage, and a mixed gas of a reactive gas and a gas having a boiling point lower than that of the reactive gas is ejected from an ejection part. Thereby, a reactive cluster is generated and the semiconductor substrate 21 is etched. When a silicon substrate is used as the semiconductor substrate 21, it is preferable to use a mixed gas of ClF 3 gas and argon gas, which has high reactivity with the silicon substrate.
By etching using this reactive cluster, deep digging with an aspect ratio of 1 or more can be performed only on the portion of the semiconductor substrate 21 where the pressure reference vacuum 27 is formed.

さらに、圧力リファレンス真空27となる孔部を形成した後、エッチングした真空処理室内で、半導体基板21のパッシベーション膜24上に、接着剤層31を用いて真空カバーガラスを貼付ける。真空カバーガラスには、予め容量コンデンサ兼コントローラ配線29を形成しておく。そして、容量コンデンサ兼コントローラ配線29が、low−k配線23と接続するように、半導体基板21に真空カバーガラス28を貼付ける。
以上の工程により、図19に示すコントローラと一体型の静電容量圧力センサを製造することができる。
Further, after forming a hole serving as a pressure reference vacuum 27, a vacuum cover glass is pasted onto the passivation film 24 of the semiconductor substrate 21 using the adhesive layer 31 in the etched vacuum processing chamber. Capacitor and controller wiring 29 is formed in advance on the vacuum cover glass. Then, a vacuum cover glass 28 is attached to the semiconductor substrate 21 so that the capacitor / controller wiring 29 is connected to the low-k wiring 23.
Through the above steps, a capacitance pressure sensor integrated with the controller shown in FIG. 19 can be manufactured.

上述の製造方法によれば、半導体基板21のエッチング工程で反応性クラスタを用いるため、プラズマ異方性エッチングを行っていない。このため、一般的にプラズマダメージに弱いMEMSセンサ・コントローラ22を、エッチング工程前に半導体基板21上に形成した場合にも、プラズマ熱による閾値電圧や、設計値から特性に影響を与えない。また、プラズマ熱によるlow−k層間絶縁膜の誘電率の変化を無くすことができる。従って、設計値からのずれが少ないコントローラ一体型のMEMSセンサを基板上に製造することができる。   According to the manufacturing method described above, since the reactive cluster is used in the etching process of the semiconductor substrate 21, plasma anisotropic etching is not performed. For this reason, even when the MEMS sensor controller 22 that is generally susceptible to plasma damage is formed on the semiconductor substrate 21 before the etching process, the characteristics are not affected by the threshold voltage due to plasma heat or the design value. In addition, the change in dielectric constant of the low-k interlayer insulating film due to plasma heat can be eliminated. Therefore, a controller-integrated MEMS sensor with little deviation from the design value can be manufactured on the substrate.

次に、上述のクラスタ噴射式加工方法を用いて製造することができる、本発明の光学部品の実施の形態について説明する。図21Aに、露光用マスクの製造工程図を示し、図21Bに、上述の反応性クラスタを用いた加工方法により製造された露光用マスクの概略構成図を示す。   Next, an embodiment of the optical component of the present invention that can be manufactured using the above-described cluster injection processing method will be described. FIG. 21A shows a manufacturing process diagram of an exposure mask, and FIG. 21B shows a schematic configuration diagram of an exposure mask manufactured by the processing method using the above-described reactive cluster.

図21Aに示すように、石英基板61上の全面に、遮光層となるMo,Ta,Cr等による金属膜64を形成する。そして、金属膜64上に、例えば、フォトリソグラフィにより、遮光層を形成する部分の金属膜64上にのみ、フォトレジストのパターンを形成する。   As shown in FIG. 21A, a metal film 64 made of Mo, Ta, Cr or the like serving as a light shielding layer is formed on the entire surface of the quartz substrate 61. Then, a photoresist pattern is formed on the metal film 64 only on the metal film 64 where the light shielding layer is to be formed, for example, by photolithography.

次に、形成したフォトレジストをマスクとして、上述の反応性クラスタによる試料の加工方法を用いて、金属膜64をエッチングする。例えば、図1に示す加工装置において、試料台に石英基板61を載置し、噴出部から反応性ガスと、反応性ガスよりも低沸点なガスとの混合ガスを噴出する。これにより、反応性クラスタを生成して、石英基板61上の金属膜64をエッチングする。反応性ガスには、金属膜64に用いられる金属との反応性が高いHCl,HBr,HI等のガスを用いることが好ましい。   Next, using the formed photoresist as a mask, the metal film 64 is etched using the above-described sample processing method using reactive clusters. For example, in the processing apparatus shown in FIG. 1, a quartz substrate 61 is placed on a sample stage, and a mixed gas of a reactive gas and a gas having a boiling point lower than that of the reactive gas is ejected from an ejection part. Thereby, a reactive cluster is generated and the metal film 64 on the quartz substrate 61 is etched. As the reactive gas, it is preferable to use a gas such as HCl, HBr, or HI that has high reactivity with the metal used for the metal film 64.

反応性クラスタを用いて、金属膜64をエッチングした後、フォトレジストを除去する。以上の工程で、図21Bに示すように、石英基板61上に、遮光層62からなる光学パターンを備える露光用マスクを製造することができる。   After the metal film 64 is etched using the reactive cluster, the photoresist is removed. Through the above steps, as shown in FIG. 21B, an exposure mask having an optical pattern made of the light shielding layer 62 can be manufactured on the quartz substrate 61.

次に、本発明の光学部品の他の実施の形態として、光学スリットについて説明する。図22Aに、本実施の形態の光学スリットの製造工程図を示し、図22Bに、反応性クラスタを用いた加工方法により製造された光学スリットの概略構成図を示す。   Next, an optical slit will be described as another embodiment of the optical component of the present invention. FIG. 22A shows a manufacturing process diagram of the optical slit of the present embodiment, and FIG. 22B shows a schematic configuration diagram of the optical slit manufactured by a processing method using reactive clusters.

図22Aに示すように、シリコン基板71上に、例えば、フォトリソグラフィにより、スリットを形成するための孔部を形成する部分を除いて、フォトレジストのパターンを形成する。   As shown in FIG. 22A, a photoresist pattern is formed on the silicon substrate 71 by, for example, photolithography, except for a portion where a hole for forming a slit is formed.

次に、形成したフォトレジストをマスクとして、上述の反応性クラスタによる試料の加工方法を用いて、シリコン基板71をエッチングする。例えば、図1に示す加工装置において、試料台にシリコン基板71を載置し、噴出部から反応性ガスと、反応性ガスよりも低沸点なガスとの混合ガスを噴出する。これにより、反応性クラスタを生成して、シリコン基板71をエッチングする。シリコン基板71のエッチングには、シリコン基板71との反応性が高いClFガスと、アルゴンガスとの混合ガスを用いることが好ましい。
そして、反応性を用いて、シリコン基板71をエッチングした後、フォトレジストを除去する。
以上の工程で、図22Bに示すように、シリコン基板71に、孔部72を形成することができる。また、エッチングにより形成された孔部72と、残存するシリコン基板71とから、スリット73を形成することができる。
このように、上述の製造方法により、図22Bに示すように、スリット73からなる光学パターンを備える光学スリット70を製造することができる。
Next, using the formed photoresist as a mask, the silicon substrate 71 is etched using the above-described sample processing method using reactive clusters. For example, in the processing apparatus shown in FIG. 1, a silicon substrate 71 is placed on a sample stage, and a mixed gas of a reactive gas and a gas having a boiling point lower than that of the reactive gas is ejected from an ejection part. Thereby, a reactive cluster is generated and the silicon substrate 71 is etched. For etching the silicon substrate 71, it is preferable to use a mixed gas of ClF 3 gas and argon gas, which has high reactivity with the silicon substrate 71.
Then, the silicon substrate 71 is etched using reactivity, and then the photoresist is removed.
Through the above steps, the hole 72 can be formed in the silicon substrate 71 as shown in FIG. 22B. Moreover, the slit 73 can be formed from the hole 72 formed by etching and the remaining silicon substrate 71.
Thus, the optical slit 70 provided with the optical pattern which consists of the slits 73 can be manufactured by the above-described manufacturing method as shown in FIG. 22B.

上述の露光用マスク及び光学スリットのような光学部品において、遮光層又は光学スリット等の光学パターンを、反応性クラスタにより形成することにより、異方性の高い光学パターンのエッチングが可能である。このため、この反応性クラスタを用いたエッチングによって、光学パターンの形成の際にサイドエッチングやアンダーカット等によるパターンの精度低下が発生せず、光学パターンの微細化や、高密度化が可能となる。   In an optical component such as the above-described exposure mask and optical slit, an optical pattern having a high anisotropy can be etched by forming an optical pattern such as a light shielding layer or an optical slit by a reactive cluster. For this reason, the etching using the reactive cluster does not cause a decrease in pattern accuracy due to side etching or undercut during the formation of the optical pattern, and the optical pattern can be miniaturized and densified. .

次に、上述の本実施の形態のクラスタ噴射による加工方法を用いて、実際に試料を加工した結果を以下に示す。
まず、試料へ噴射する混合ガスの噴射時間と、ガス供給部内の混合ガスの一次圧力とを変化させて、試料表面を加工した。この加工による一次圧力、及び、試料への噴射時間と、試料のエッチング速度の関係を図2に示す。
Next, the result of actually processing a sample using the above-described processing method by cluster injection according to the present embodiment will be described below.
First, the sample surface was processed by changing the injection time of the mixed gas injected to the sample and the primary pressure of the mixed gas in the gas supply unit. FIG. 2 shows the relationship between the primary pressure by this processing, the injection time to the sample, and the etching rate of the sample.

加工条件は、試料として表面に厚さ約2nmの自然酸化膜が形成されたケイ素単結晶を使用し、反応性ガスとしてClFガス6vol%と、反応性ガスより低沸点なガスとしてArガス94vol%とからなる混合ガスを使用した。また、噴出部の直径を0.1mmとした。また、一次圧力は、図2に示すように変化させ、噴射時間は、2分、5分、7分、15分と変化させた。As processing conditions, a silicon single crystal having a natural oxide film with a thickness of about 2 nm formed on the surface is used as a sample, ClF 3 gas 6 vol% as a reactive gas, and Ar gas 94 vol as a gas having a lower boiling point than the reactive gas. % Mixed gas was used. Moreover, the diameter of the ejection part was 0.1 mm. The primary pressure was changed as shown in FIG. 2, and the injection time was changed to 2, 5, 7, and 15 minutes.

図2に示した結果から、同じ噴射時間の条件下では、一次圧力を高くすることにより、試料のエッチング速度が増加することがわかる。従って、一次圧力を高くして二次圧力との差を大きくすることにより、発生する反応性クラスタの運動エネルギーを大きくすることができ、反応性クラスタと試料との衝突により発生する反応エネルギーを大きくすることができる。このため、エッチング速度を大きくすることができる。   From the results shown in FIG. 2, it can be seen that the etching rate of the sample is increased by increasing the primary pressure under the conditions of the same injection time. Therefore, by increasing the primary pressure and increasing the difference from the secondary pressure, the kinetic energy of the generated reactive clusters can be increased, and the reaction energy generated by the collision between the reactive clusters and the sample can be increased. can do. For this reason, the etching rate can be increased.

次に、図1に示した装置において、噴出部と試料表面との距離を、26mm、35mm、50mmと変化させて試料表面の加工を行った。噴出部と試料表面との距離と、加工による試料のエッチング速度との関係を図3に示す。また、噴出部と試料表面との距離を26mmとして加工した後の試料表面の状態を表す写真を図4に示し、噴出部と試料表面との距離を35mmとして加工した後の試料表面の状態を表す写真を図5に示す。   Next, in the apparatus shown in FIG. 1, the sample surface was processed by changing the distance between the ejection part and the sample surface to 26 mm, 35 mm, and 50 mm. FIG. 3 shows the relationship between the distance between the ejection portion and the sample surface and the etching rate of the sample by processing. Moreover, the photograph showing the state of the sample surface after processing the distance between the ejection part and the sample surface to 26 mm is shown in FIG. 4, and the state of the sample surface after processing the distance between the ejection part and the sample surface to 35 mm is shown. The photograph to represent is shown in FIG.

試料の加工条件は、試料としてケイ素単結晶を使用し、反応性ガスとしてClFガス6vol%と、反応性ガスより低沸点なガスとしてArガス94vol%とからなる混合ガスを使用した。また、試料への反応性クラスタの噴射時間を5分、混合ガスの流量を398sccmとし、一次圧力を0.53MPaG、二次圧力を3.2Pa、真空処理室内の温度を28℃とした。The processing conditions of the sample were a silicon single crystal as a sample, and a mixed gas composed of 6 vol% ClF 3 gas as a reactive gas and 94 vol% Ar gas as a gas having a lower boiling point than the reactive gas. The reactive cluster injection time to the sample was 5 minutes, the flow rate of the mixed gas was 398 sccm, the primary pressure was 0.53 MPaG, the secondary pressure was 3.2 Pa, and the temperature in the vacuum processing chamber was 28 ° C.

図3に示すように、噴出部と試料との距離が26mmの場合には、約4.1μm/minのエッチング速度が得られた。また、噴出部と試料との距離が35mmの場合には、約2.2μm/minのエッチング速度が得られた。また、50mm以上離れると、エッチング速度がほぼ0になった。
また、噴出部と試料との距離を26mmとした場合には、距離を35mmとした場合の約2倍のエッチング速度を得ることができた。
As shown in FIG. 3, when the distance between the ejection part and the sample was 26 mm, an etching rate of about 4.1 μm / min was obtained. In addition, when the distance between the ejection part and the sample was 35 mm, an etching rate of about 2.2 μm / min was obtained. Further, the etching rate became almost zero when the distance was 50 mm or more.
In addition, when the distance between the ejection part and the sample was 26 mm, an etching rate approximately twice as high as that when the distance was 35 mm could be obtained.

上述の結果から、噴出部と試料との距離を近付けることにより、試料のエッチング速度が大きくなることがわかる。
また、噴出部と試料との距離によって、試料のエッチング速度が変化するため、噴出部と試料との距離を変化させることにより、試料のエッチング速度を変更することができる。
From the above results, it can be seen that the etching rate of the sample increases as the distance between the ejection portion and the sample is reduced.
In addition, since the etching rate of the sample changes depending on the distance between the ejection part and the sample, the etching rate of the sample can be changed by changing the distance between the ejection part and the sample.

次に、試料台を傾けることにより、クラスタの入射角度を試料表面に対して斜め方向として、試料表面の加工を行った。また、試料には、ケイ素単結晶を使用し、表面に1.2μmの厚さのフォトレジスト層により、ライン・アンド・スペースのパターンを形成した。加工された試料表面付近の断面の写真を図6に示す。   Next, the sample surface was processed by tilting the sample stage so that the incident angle of the cluster was oblique to the sample surface. Further, a silicon single crystal was used as a sample, and a line-and-space pattern was formed on the surface by a photoresist layer having a thickness of 1.2 μm. A photograph of a cross section near the processed sample surface is shown in FIG.

試料の加工条件は、噴出部と試料との距離を26mmとし、反応性ガスとしてClFガス6vol%と、反応性ガスより低沸点なガスとしてArガス94vol%とからなる混合ガスを使用した。また、試料への反応性クラスタの噴射時間を5分、混合ガスの流量を398sccmとし、一次圧力を0.53MPaG、二次圧力を3.2Pa、真空処理室内の温度を28℃とした。The sample processing conditions were such that the distance between the ejection part and the sample was 26 mm, and a mixed gas composed of 6 vol% ClF 3 gas as the reactive gas and 94 vol% Ar gas as the gas having a lower boiling point than the reactive gas. The reactive cluster injection time to the sample was 5 minutes, the flow rate of the mixed gas was 398 sccm, the primary pressure was 0.53 MPaG, the secondary pressure was 3.2 Pa, and the temperature in the vacuum processing chamber was 28 ° C.

図6に示すように、反応性クラスタの入射方向に合わせて、試料が斜めにエッチングされている。このように、斜め方向からの入射を行うことにより、入射角に対応した直進性の高いエッチングが可能である。
また、上述のように、噴出部と試料との距離が変化することにより、試料のエッチング速度が変化することを利用し、斜め方向からの加工時に試料とノズルとの距離を一定に保持した状態で、噴出部又は試料を移動する。これにより、突起部が優先的にエッチングされる。従って、試料表面の段差を低減して平坦化することが可能である。
As shown in FIG. 6, the sample is etched obliquely in accordance with the incident direction of the reactive cluster. Thus, by performing incidence from an oblique direction, etching with high straightness corresponding to the incident angle is possible.
In addition, as described above, by utilizing the fact that the etching rate of the sample changes due to the change in the distance between the ejection part and the sample, a state in which the distance between the sample and the nozzle is kept constant during processing from an oblique direction Then, the ejection part or the sample is moved. Thereby, a projection part is etched preferentially. Therefore, it is possible to reduce the level difference on the sample surface and flatten it.

また、図6に示すように、試料表面に形成したフォトレジスト層は、ほとんどエッチングされず、ケイ素単結晶とフォトレジストとのエッチング選択比は、100:1以上であった。このため、フォトレジストのマスクを用いてパターンを形成した後、ケイ素単結晶を選択的に加工し、パターンを形成することができる。   Further, as shown in FIG. 6, the photoresist layer formed on the sample surface was hardly etched, and the etching selectivity between the silicon single crystal and the photoresist was 100: 1 or more. For this reason, after forming a pattern using the mask of a photoresist, a silicon single crystal can be selectively processed and a pattern can be formed.

次に、試料に反応性クラスタを噴射することにより試料を貫通させる加工を行った。
反応性クラスタの噴射による貫通孔を形成した。貫通孔が形成されたケイ素単結晶の状態の写真を図7に示す。
Next, the sample was penetrated by injecting reactive clusters into the sample.
Through holes were formed by injection of reactive clusters. A photograph of the state of the silicon single crystal in which the through hole is formed is shown in FIG.

試料の加工条件は、噴出部と試料との距離を26mmとし、試料として厚さ625μmのケイ素単結晶を使用し、反応性ガスとしてClFガス6vol%と、反応性ガスより低沸点なガスとしてArガス94vol%とからなる混合ガスを使用した。また、試料への反応性クラスタの噴射時間を15分、混合ガスの流量を585sccmとし、一次圧力を0.8MPaG、二次圧力を7.5Pa、真空処理室内の温度を25.4℃とした。The processing conditions of the sample are as follows: the distance between the ejection part and the sample is 26 mm, a silicon single crystal having a thickness of 625 μm is used as the sample, ClF 3 gas is 6 vol% as the reactive gas, and the gas has a lower boiling point than the reactive gas. A mixed gas consisting of 94 vol% Ar gas was used. In addition, the injection time of the reactive cluster to the sample was 15 minutes, the flow rate of the mixed gas was 585 sccm, the primary pressure was 0.8 MPaG, the secondary pressure was 7.5 Pa, and the temperature in the vacuum processing chamber was 25.4 ° C. .

図7に示すように、上述の加工により625μmの厚さのケイ素単結晶に貫通孔を形成することができた。また、625μmの厚さのケイ素単結晶に対し、15分以内の噴射時間で貫通孔を形成することができたため、上述の加工条件でのエッチング速度は、41μm/min以上となる。   As shown in FIG. 7, through holes could be formed in a silicon single crystal having a thickness of 625 μm by the above-described processing. Moreover, since a through-hole was able to be formed in a silicon single crystal having a thickness of 625 μm within an injection time of 15 minutes or less, the etching rate under the above-described processing conditions is 41 μm / min or more.

上述の加工結果から、反応性ガスと反応性ガスより低沸点なガスの反応性クラスタを試料に噴射することにより、試料に貫通孔を形成することができる。このため、例えば、ケイ素材料において、スクライブラインを形成したり、また、形成したスクライブラインにおいて基板を切断したりすることが可能となる。さらに、フォトレジストとの良好な選択比を利用して、フォトレジストのマスクにより試料上に任意のパターンを形成し、直線以外のスクライブラインを形成したり、形成したスクライブラインにおいて基板を切断したりすることが可能となる。   From the above processing results, a through hole can be formed in the sample by injecting the reactive gas and a reactive cluster of a gas having a lower boiling point than the reactive gas onto the sample. For this reason, for example, it becomes possible to form a scribe line in a silicon material, or to cut a substrate at the formed scribe line. Furthermore, using a good selection ratio with the photoresist, an arbitrary pattern is formed on the sample by using a photoresist mask, a scribe line other than a straight line is formed, or the substrate is cut at the formed scribe line. It becomes possible to do.

次に、ガス供給部内に、混合ガスを用いる代わりに、ClFガスを単独で用いて、試料表面の加工を行った。加工された試料表面の状態を表す写真を図8に示す。Next, instead of using the mixed gas in the gas supply unit, the sample surface was processed using ClF 3 gas alone. A photograph showing the state of the processed sample surface is shown in FIG.

試料の加工条件は、噴出部と試料との距離を26mmとし、また、試料への反応性クラスタの噴射時間を15分、混合ガスの流量を300sccmとし、一次圧力を0.05MPaG、二次圧力を2.2Pa、真空処理室内の温度を29℃とした。   The processing conditions of the sample were: the distance between the ejection part and the sample was 26 mm, the injection time of the reactive cluster to the sample was 15 minutes, the flow rate of the mixed gas was 300 sccm, the primary pressure was 0.05 MPaG, and the secondary pressure Was 2.2 Pa, and the temperature in the vacuum processing chamber was 29 ° C.

図8に示すように、試料表面には、反応性クラスタによる加工跡が形成されているものの、15分の噴射時間に対して、試料表面がほとんどエッチングできず、上記の条件でのエッチング速度は、0.01μm/min以下であった。
このように、ClFガスは沸点が高く、高圧下では液化してしまため、ClFガスを単独で用いた場合には、試料の加工において、一次圧力を高くすることができず、二次圧力との差を大きくすることができない。従って、反応性クラスタを生成するための充分な断熱膨張を得ることができない。
従って、反応性ガスに反応性ガスより低沸点なガスを混合し、一次圧力を大きくすることにより、噴射部から噴射される混合ガスのクラスタが充分に生成され、試料表面を効率的に加工することが証明された。
As shown in FIG. 8, although a trace of processing by reactive clusters is formed on the sample surface, the sample surface can hardly be etched with respect to the spray time of 15 minutes, and the etching rate under the above conditions is 0.01 μm / min or less.
Thus, ClF 3 gas has a high boiling point, want for liquefied under high pressure, in the case of using a ClF 3 gas alone, in the processing of the sample can not be increased primary pressure, secondary The difference with pressure cannot be increased. Therefore, sufficient adiabatic expansion for generating reactive clusters cannot be obtained.
Therefore, by mixing the reactive gas with a gas having a lower boiling point than the reactive gas and increasing the primary pressure, a cluster of mixed gas injected from the injection unit is sufficiently generated, and the sample surface is processed efficiently. It was proved.

次に、混合ガスの代わりに、Arガスを単独で用いて、試料表面を加工した。加工された試料表面の状態を表す写真を図9に示す。   Next, the sample surface was processed using Ar gas alone instead of the mixed gas. A photograph showing the state of the processed sample surface is shown in FIG.

試料の加工条件は、噴出部と試料との距離を26mmとした。また、試料への反応性クラスタの噴射時間を15分、Arガスの流量を637sccmとし、一次圧力を0.8MPaG、二次圧力を8.6Pa、真空処理室内の温度を21.1℃とした。   The sample processing conditions were such that the distance between the ejection part and the sample was 26 mm. The reactive cluster injection time to the sample was 15 minutes, the Ar gas flow rate was 637 sccm, the primary pressure was 0.8 MPaG, the secondary pressure was 8.6 Pa, and the temperature in the vacuum processing chamber was 21.1 ° C. .

図9に示すように、Arガスを用いた加工では、試料表面には変化が見られなかった。このため、Arガスを単独で用いた加工では、ケイ素単結晶の加工ができないことがわかる。
従って、混合ガスとして反応性ガスと、反応性ガスより低沸点なガスを用いることにより、試料表面の加工ができたことが証明された。
As shown in FIG. 9, in the processing using Ar gas, no change was observed on the sample surface. For this reason, it turns out that the processing using a single Ar gas cannot process the silicon single crystal.
Therefore, it was proved that the sample surface could be processed by using a reactive gas as the mixed gas and a gas having a lower boiling point than the reactive gas.

次に、噴出部の口径を6mmに拡大し、一次圧力を−0.09MPaGとして試料表面の加工を行った。加工後の試料表面の状態を表す写真を図10に示す。   Next, the diameter of the ejection part was enlarged to 6 mm, and the sample surface was processed with a primary pressure of -0.09 MPaG. A photograph showing the state of the sample surface after processing is shown in FIG.

試料の加工条件は、噴出部と試料との距離を26mmとし、反応性ガスとしてClFガス6vol%と、反応性ガスより低沸点なガスとしてArガス94vol%とからなる混合ガスを使用した。また、試料への混合ガスの噴射時間を15分、混合ガスの流量を580sccmとし、二次圧力を7.5Pa、真空処理室内の温度を25.4℃とした。The sample processing conditions were such that the distance between the ejection part and the sample was 26 mm, and a mixed gas composed of 6 vol% ClF 3 gas as the reactive gas and 94 vol% Ar gas as the gas having a lower boiling point than the reactive gas. Further, the injection time of the mixed gas to the sample was 15 minutes, the flow rate of the mixed gas was 580 sccm, the secondary pressure was 7.5 Pa, and the temperature in the vacuum processing chamber was 25.4 ° C.

上述の条件では、噴出部の口径を6mmに拡大して一次圧力を下げ、二次圧力との差を小さくした。この結果、図10に示すように、試料表面には加工跡が形成されなかった。
この結果から、上述の加工条件では、一次圧力が低すぎるため、混合ガスのクラスタが有効に形成されなかったと考えられる。また、この結果から、反応性クラスタ生成には、一次圧力と二次圧力の差圧が必要であることがいえる。
Under the above-mentioned conditions, the diameter of the ejection part was enlarged to 6 mm, the primary pressure was lowered, and the difference from the secondary pressure was reduced. As a result, as shown in FIG. 10, no processing trace was formed on the sample surface.
From this result, it is considered that the cluster of the mixed gas was not effectively formed under the above-described processing conditions because the primary pressure was too low. From this result, it can be said that a differential pressure between the primary pressure and the secondary pressure is necessary for the generation of the reactive cluster.

次に、反応ガスとして用いるハロゲン間化合物又はハロゲン化水素の代わりに、Clガス又はFガスを用いて、試料表面の加工を行った。Clガスを用いて加工した試料表面の状態を表す写真を図11に示し、Fガスを用いて加工した試料表面の状態を表す写真を図12に示す。Next, the sample surface was processed using Cl 2 gas or F 2 gas instead of the interhalogen compound or hydrogen halide used as the reaction gas. A photograph showing the state of the sample surface processed using Cl 2 gas is shown in FIG. 11, and a photograph showing the state of the sample surface processed using F 2 gas is shown in FIG.

Clガスを用いた場合の加工条件は、噴出部と試料との距離を26mmとし、Clガス5vol%と、不活性ガスとしてArガス95vol%とからなる混合ガスを使用した。また、試料への混合ガスの噴射時間を15分、混合ガスの流量を542sccmとし、一次圧力を0.81MPaG、二次圧力を8.3Pa、真空処理室内の温度を28.4℃とした。The processing conditions in the case of using Cl 2 gas were such that the distance between the ejection part and the sample was 26 mm, and a mixed gas composed of 5 vol% of Cl 2 gas and 95 vol% of Ar gas as the inert gas was used. Further, the injection time of the mixed gas to the sample was 15 minutes, the flow rate of the mixed gas was 542 sccm, the primary pressure was 0.81 MPaG, the secondary pressure was 8.3 Pa, and the temperature in the vacuum processing chamber was 28.4 ° C.

ガスを用いた場合の加工条件は、噴出部と試料との距離を26mmとし、混合ガスとして、Fガス5vol%と、反応性ガスより低沸点なガスとしてArガス95vol%とからなる混合ガスを使用した。また、試料への混合ガスの噴射時間を30分、混合ガスの流量を569sccmとし、一次圧力を0.81MPaG、二次圧力を8.6Pa、真空処理室内の温度を27.4℃とした。The processing conditions when F 2 gas is used include a distance between the ejection part and the sample of 26 mm, F 2 gas as a mixed gas, 5 vol%, and Ar gas as a boiling point lower than reactive gas, 95 vol%. A mixed gas was used. Further, the injection time of the mixed gas to the sample was 30 minutes, the flow rate of the mixed gas was 569 sccm, the primary pressure was 0.81 MPaG, the secondary pressure was 8.6 Pa, and the temperature in the vacuum processing chamber was 27.4 ° C.

図11及び図12に示すように、混合ガスが噴射された部分が変色したものの、試料表面はほとんどエッチングされていない。この結果から、ハロゲンと不活性ガスとの混合ガスを用いた場合には、試料の加工ができないことがわかる。
この結果から、反応性ガス、例えばハロゲン間化合物及びハロゲン化水素と、反応性ガスより低沸点なガスとの混合ガスを用いることにより、試料表面の加工が可能となることがわかる。
As shown in FIG. 11 and FIG. 12, although the portion where the mixed gas was injected changed color, the sample surface was hardly etched. From this result, it is understood that the sample cannot be processed when a mixed gas of halogen and inert gas is used.
From this result, it is understood that the sample surface can be processed by using a mixed gas of a reactive gas such as an interhalogen compound and hydrogen halide and a gas having a lower boiling point than the reactive gas.

次に、ケイ素単結晶の表面に、酸化ケイ素膜を形成した試料を用いて、試料表面の加工を行った。加工後の試料表面の状態を示す写真を図13に示す。   Next, the sample surface was processed using a sample in which a silicon oxide film was formed on the surface of a silicon single crystal. A photograph showing the state of the sample surface after processing is shown in FIG.

試料の加工条件は、噴出部と試料との距離を26mmとし、反応性ガスとしてClFガス6vol%と、反応性ガスより低沸点なガスとしてArガス94vol%とからなる混合ガスを使用した。また、試料への混合ガスの噴射時間を15分、混合ガスの流量を560sccmとし、一次圧力を0.7MPaG、二次圧力を5Pa、真空処理室内の温度を28.2℃とした。The sample processing conditions were such that the distance between the ejection part and the sample was 26 mm, and a mixed gas composed of 6 vol% ClF 3 gas as the reactive gas and 94 vol% Ar gas as the gas having a lower boiling point than the reactive gas. Further, the injection time of the mixed gas to the sample was 15 minutes, the flow rate of the mixed gas was 560 sccm, the primary pressure was 0.7 MPaG, the secondary pressure was 5 Pa, and the temperature in the vacuum processing chamber was 28.2 ° C.

図13に示すように、試料表面に形成された酸化ケイ素膜は、上述の加工条件ではエッチングされていない。従って、上述の加工方法では、酸化ケイ素膜は、ケイ素単結晶に比べてエッチング速度が非常に小さく、酸化ケイ素膜とケイ素材料とのエッチング選択比が大きいことがわかる。このため、フォトマスクによるパターンを形成する他に、ケイ素材料の表面に、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、酸窒化ケイ素膜等によるマスクのパターンを形成することにより、このパターンに応じたケイ素材料の加工が可能となる。   As shown in FIG. 13, the silicon oxide film formed on the sample surface is not etched under the above processing conditions. Therefore, it can be seen that, in the above-described processing method, the silicon oxide film has a very low etching rate compared to the silicon single crystal, and the etching selectivity between the silicon oxide film and the silicon material is large. For this reason, in addition to forming a pattern using a photomask, a mask pattern made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or the like is formed on the surface of the silicon material. Processing becomes possible.

このように、反応性ガスに対して耐性を持つ膜を試料表面にパターンマスクとして形成することにより、パターンに応じた試料の加工が可能となる。
また、パターンマスクの材料として上述の材料の他に、金属材料を用いることもできる。反応性ガスがハロゲン間化合物である場合には、金属材料との反応性を考慮する必要がないため、一般的なパターンマスクとして用いられる金属材料を適用して、金属材料によるマスクを使用した試料の加工が可能となる。
また、反応性ガスがハロゲン化水素の場合には、ハロゲン化水素に対して耐性があるNi等の金属材料を選択して、金属材料によるマスクを使用した試料の加工が可能となる。
Thus, by forming a film resistant to reactive gas on the surface of the sample as a pattern mask, the sample can be processed according to the pattern.
In addition to the materials described above, a metal material can also be used as the material for the pattern mask. When the reactive gas is an interhalogen compound, it is not necessary to consider the reactivity with the metal material. Therefore, a sample using a metal material mask by applying a metal material used as a general pattern mask. Can be processed.
When the reactive gas is hydrogen halide, a metal material such as Ni that is resistant to hydrogen halide is selected, and the sample can be processed using a mask made of the metal material.

次に、試料となるケイ素単結晶の表面に形成された、厚さ約2nmの自然酸化膜を、フッ化水素(HF)で処理することにより除去した後、試料表面の加工を行った。加工後の表面の状態を表す写真を図14に示す。また、比較のため、自然酸化膜を除去せずに表面加工を行った試料について、加工後の表面の状態を表す写真を図15に示す。   Next, a natural oxide film having a thickness of about 2 nm formed on the surface of a silicon single crystal serving as a sample was removed by treatment with hydrogen fluoride (HF), and then the sample surface was processed. A photograph showing the state of the surface after processing is shown in FIG. For comparison, FIG. 15 shows a photograph showing the state of the surface after processing for a sample that has been subjected to surface processing without removing the natural oxide film.

試料の加工条件は、噴出部と試料との距離を26mmとし、反応性ガスとしてClFガス6vol%と、反応性ガスより低沸点なガスとしてArガス94vol%とからなる混合ガスを使用した。また、試料への混合ガスの噴射時間を5分、混合ガスの流量を560sccmとし、一次圧力を0.3MPaG、二次圧力を1.5Pa、真空処理室内の温度を28.2℃とした。
また、比較のために自然酸化膜を除去せずに表面加工をした試料は、図2で示した、反応性ガスとしてClFガス6vol%と、反応性ガスより低沸点なガスとしてArガス94vol%とからなる混合ガスを使用し、一次圧力を0.3MPaG、噴射時間を5分として加工した試料である。
The sample processing conditions were such that the distance between the ejection part and the sample was 26 mm, and a mixed gas composed of 6 vol% ClF 3 gas as the reactive gas and 94 vol% Ar gas as the gas having a lower boiling point than the reactive gas. Further, the injection time of the mixed gas to the sample was 5 minutes, the flow rate of the mixed gas was 560 sccm, the primary pressure was 0.3 MPaG, the secondary pressure was 1.5 Pa, and the temperature in the vacuum processing chamber was 28.2 ° C.
Further, for comparison, a sample which was surface-treated without removing the natural oxide film was shown in FIG. 2 as ClF 3 gas 6 vol% as a reactive gas and Ar gas 94 vol as a gas having a lower boiling point than the reactive gas. % Is a sample processed using a mixed gas consisting of 1%, a primary pressure of 0.3 MPaG, and an injection time of 5 minutes.

図14に示した結果と、図15に示した結果とを比較すると、図14に示した自然酸化膜を除去した試料のエッチング深さが8.67μmであったのに対し、図15に示した自然酸化膜を除去していない試料のエッチング深さが、0.711μmであった。   Comparing the result shown in FIG. 14 with the result shown in FIG. 15, the etching depth of the sample from which the natural oxide film shown in FIG. 14 was removed was 8.67 μm, whereas that shown in FIG. The etching depth of the sample from which the natural oxide film was not removed was 0.711 μm.

自然酸化膜を除去していない試料のエッチング速度が、0.14μm/minであるのに対し、自然酸化膜を除去した試料のエッチング速度が、1.73μm/minとなる。この結果、ケイ素単結晶の表面に形成された自然酸化膜をHF等によって除去することにより、エッチング速度が約12倍になった。   The etching rate of the sample from which the natural oxide film has not been removed is 0.14 μm / min, whereas the etching rate of the sample from which the natural oxide film has been removed is 1.73 μm / min. As a result, the etching rate was increased about 12 times by removing the natural oxide film formed on the surface of the silicon single crystal with HF or the like.

この加工による一次圧力、及び、試料への噴射時間と、試料のエッチング速度の関係を図16に示す。なお、図16では、比較のため、図2に示した試料への噴射時間と、試料のエッチング速度の関係をそのまま記載し、上述の自然酸化膜を除去して行った試料の加工を星印と矢印で示している。
図16に示すように、一次圧力及び噴射時間がほぼ同じ条件において、自然酸化膜を除去していない試料を加工した場合に比べ、自然酸化膜を除去することにより、エッチング速度が大きく向上していることがわかる。
従って、ケイ素材料の自然酸化膜を除去することにより、試料のエッチング速度を向上することができる。
FIG. 16 shows the relationship between the primary pressure by this processing, the injection time to the sample, and the etching rate of the sample. In FIG. 16, for comparison, the relationship between the injection time to the sample shown in FIG. 2 and the etching rate of the sample is described as it is, and the processing of the sample performed by removing the natural oxide film described above is an asterisk. And arrows.
As shown in FIG. 16, the etching rate is greatly improved by removing the natural oxide film as compared with the case where the sample from which the natural oxide film has not been removed is processed under substantially the same primary pressure and injection time. I understand that.
Therefore, the etching rate of the sample can be improved by removing the natural oxide film of the silicon material.

本発明は、上述の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described configuration, and various other configurations can be employed without departing from the gist of the present invention.

11 ガス供給部
12 噴出部
13 真空処理室
14 試料台
15 ターボ分子ポンプ
16 ドライポンプ
17 試料
18 混合ガスの分子
19 反応性クラスタ
20 圧力センサ
21 半導体基体
22 MEMSセンサ・コントローラ
23 low−k配線
24 パッシベーション膜
25 SOG絶縁層
26 電極層
27 圧力リファレンス真空
28 カバーガラス
29 容量コンデンサ兼コントローラ配線
30 メンブラン構造
31 接着剤層
32,63,74 フォトレジスト
40 半導体素子
41 半導体チップ
42 半導体基板
43,52 配線層
44,53 層間絶縁層
45 貫通電極
46 埋め込み導電層
47 バリアメタル層
48 絶縁層
49,54 電極パッド
50,55 多層配線層
51 基体
56,72 孔部
60 露光用マスク
61 石英基板
62 遮光層
64 金属膜
70 光学スリット
71 シリコン基板
73 スリット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Gas supply part 12 Ejection part 13 Vacuum processing chamber 14 Sample stand 15 Turbo molecular pump 16 Dry pump 17 Sample 18 Molten gas molecule 19 Reactive cluster 20 Pressure sensor 21 Semiconductor substrate 22 MEMS sensor controller 23 Low-k wiring 24 Passivation Membrane 25 SOG insulating layer 26 Electrode layer 27 Pressure reference vacuum 28 Cover glass 29 Capacitor / controller wiring 30 Membrane structure 31 Adhesive layer 32, 63, 74 Photoresist 40 Semiconductor element 41 Semiconductor chip 42 Semiconductor substrate 43, 52 Wiring layer 44 , 53 Interlayer insulating layer 45 Through electrode 46 Embedded conductive layer 47 Barrier metal layer 48 Insulating layer 49, 54 Electrode pad 50, 55 Multilayer wiring layer 51 Base 56, 72 Hole 60 Exposure mask 61 Quartz substrate 62 light shielding layer 64 metal film 70 optical slit 71 silicon substrate 73 slit

Claims (11)

反応性ガスと、反応性ガスより低沸点のガスとからなる混合ガスを、液化しない範囲の圧力で噴出部から所定の方向に断熱膨張させながら噴出させ、電気的に中性な反応性クラスタを生成し、前記反応性クラスタを真空処理室内の試料に噴射して、試料表面に化学的な反応による加工を行う
ことを特徴とするクラスタ噴射式加工方法。
A gas mixture consisting of a reactive gas and a gas having a boiling point lower than that of the reactive gas is ejected while adiabatically expanding in a predetermined direction from the ejection section at a pressure that does not liquefy. A cluster injection processing method comprising: generating and injecting the reactive cluster onto a sample in a vacuum processing chamber and processing the sample surface by a chemical reaction.
前記反応性ガスがハロゲン間化合物ガス、又は、ハロゲン化水素ガスであることを特徴とする請求項1に記載のクラスタ噴射式加工方法。   The cluster injection processing method according to claim 1, wherein the reactive gas is an interhalogen compound gas or a hydrogen halide gas. 前記試料が半導体材料又は金属材料であることを特徴とする請求項1又は2に記載のクラスタ噴射式加工方法。   The cluster injection processing method according to claim 1, wherein the sample is a semiconductor material or a metal material. 前記試料表面に、フォトレジスト、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、又は、酸窒化ケイ素膜のいずれか一種以上を用いてパターンを形成し、前記パターンをマスクとして用いて、前記試料を加工することを特徴とする請求項1に記載のクラスタ噴射式加工方法。   Forming a pattern on the surface of the sample using one or more of a photoresist, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film, and processing the sample using the pattern as a mask. The cluster injection processing method according to claim 1, wherein: 前記試料表面に前記反応性ガスに耐性を持つ金属材料を用いてパターンを形成し、前記パターンをマスクとして用いて前記試料を加工することを特徴とする請求項1に記載のクラスタ噴射式加工方法。   2. The cluster jet processing method according to claim 1, wherein a pattern is formed on the sample surface using a metal material resistant to the reactive gas, and the sample is processed using the pattern as a mask. . 前記反応性クラスタを前記試料表面に対し、斜めの方向から噴射することで、前記試料を斜めに加工することを特徴とする請求項1に記載のクラスタ噴射式加工方法。   The cluster injection processing method according to claim 1, wherein the sample is processed obliquely by injecting the reactive cluster with respect to the sample surface from an oblique direction. 前記噴出部又は前記試料を移動することにより、前記試料表面を平坦化することを特徴とする請求項6に記載のクラスタ噴射式加工方法。   The cluster injection processing method according to claim 6, wherein the sample surface is flattened by moving the ejection part or the sample. 前記噴出部又は前記試料を移動することにより、直線加工、曲線加工及び広面積加工を行うことを特徴とする請求項1に記載のクラスタ噴射式加工方法。 The cluster injection processing method according to claim 1, wherein linear processing, curved processing, and wide area processing are performed by moving the ejection portion or the sample. 前記試料に貫通孔を形成することを特徴とする請求項1に記載のクラスタ噴射式加工方法。   The cluster injection processing method according to claim 1, wherein a through hole is formed in the sample. 試料表面の自然酸化膜を除去した後に、表面を加工することを特徴とする請求項1に記載のクラスタ噴射式加工方法。   2. The cluster jet processing method according to claim 1, wherein the surface is processed after removing the natural oxide film on the sample surface. 複数の前記噴出部から前記反応性ガスを同一方向に噴出して前記試料に反応性クラスタを噴出する加工方法、複数の前記噴出部から前記反応性ガスを異なる方向に噴出して前記試料に反応性クラスタを噴出する加工方法、又は、複数の前記噴出部の流量及び圧力を同一に若しくは個別に制御して前記試料に反応性クラスタを噴出する加工方法から選ばれる1種類若しくは2種類以上の加工方法を同時に行うことを特徴とする請求項1に記載のクラスタ噴射式加工方法。 A processing method in which the reactive gas is ejected from the plurality of ejection portions in the same direction to eject reactive clusters to the sample, and the reactive gas is ejected from the plurality of ejection portions in different directions to react with the sample. One type or two or more types of processing selected from a processing method for jetting reactive clusters, or a processing method for jetting reactive clusters to the sample by controlling the flow rate and pressure of a plurality of jetting portions either the same or individually The cluster injection processing method according to claim 1, wherein the methods are performed simultaneously.
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